The modelling of soil water erosion in context of hydrological processes in small catchments

Mgr. David Honek, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Současná globální změna klimatu významně ovlivnila hydrologické a erozní procesy po celém světě. Rozšiřování znalostí o přírodních procesech, zvyšování výpočetní kapacity a nároky související s dnešními změnami prostředí vedly ke složitějšímu a většímu počtu přístupů k modelování. Prvním cílem této práce je přinést strukturovaný pohled ohledně stavu vědeckého poznání na základě podrobné analýzy vědeckých publikací zabývajících se hydrologickým modelováním s vazbou na modelování eroze. Výsledky poukazují na významné změny v metodologii používané v rámci hydrologického výzkumu z důvodu rostoucí dostupnosti dat, nových zdrojů informací a významu společného globálního výzkumu. Zjištění rovněž zdůraznila rostoucí počet implementací hydrologických modelů a internacionalizaci v této oblasti vědy. Druhým cílem této práce je modelovat erozně-sedimentační procesy v malých povodích a provést vědecké testování a vyhodnocení možných vhodných přístupů. Pro hodnocení intenzity eroze půdy a depozičních procesů byly použity modely eroze USLE, RUSLE a USPED ve dvou malých povodích - povodí Svacenického potoka (Slovensko) a povodí Suchého potoka (Česko). Fyzikálně založený model EROSION-3D byl aplikován na dvě výzkumné lokality - povodí Svacenického potoka a výzkumné území Turá Lúka (Slovensko). Výsledky použitých modelů byly porovnány se sedimentací dvou nádrží, aby bylo možné vyhodnotit účinnost jednotlivých modelů a navrhnout metodická doporučení pro místní/lokání manažery a obce s cílem vhodného stanovení míry zanášení nádrže. Model USPED se jeví jako vyhovující v porovnání s ostatními použitými modely (podhodnocení o 7,2 % oproti pozorovanému množství sedimentů v nádrži). Modelování procesů eroze půdy je ovlivněno několika faktory, které odrážejí přírodní podmínky výzkumné oblasti spolu s vazbou na využívání půdy. Správné určení vstupních parametrů je klíčovou součástí aplikace modelu, a proto čtvrtým cílem této práce je diskuze ohledně variability hodnot vstupních faktorů pro empirické modelování. Následně byl diskutován vliv jednotlivých vstupních parametrů na výstupy z modelů. Pátým cílem této práce je zhodnocení role vstupních parametrů. Podrobně byla zkoumána role srážek a sedmi vybraných vstupních pedologických parametrů. Výsledky zdůrazňují významnou roli srážek a jejich měnících se parametrů (intenzita a četnost výskytu) v důsledku změny klimatu, což má za následek zesílení srážkoodtokových a erozně-sedimentačních procesů. Model EROSION-3D je navíc velmi citlivý na počáteční vlhkost půdy, objemovou hustotu a erodovatelnost půdy.

Abstract:

The current global change of climate significantly forced hydrological and erosion processes around the World. Expanding the knowledge of natural processes, increasing computing capacity, and claims related to nowadays-environmental changes have resulted in a more complex and greater number of modelling approaches. Besides, the number of scientific papers or studies has been rising. The first aim of this thesis is to discuss the comprehensive State of Science by the detailed study of the evolution of the hydrological modelling linkage to erosion modelling. The results show significant changes in the methodology applied in hydrological research because of the growing data availability, new sources of information, and the importance of global research efforts. The findings also highlighted the increasing number and internationalization in the field. The second aim of this thesis is to model of erosion-sedimentation processes in small catchments in Central Europe and to do scientific testing and evaluation of the possible appropriate approaches. The USLE, RUSLE, and USPED erosion models were applied to assess the intensity of soil erosion and deposition processes in two small catchments – the Svacenický Creek catchment (Slovakia) and the Suchý Creek catchment (Czechia). The physically-based EROSION-3D model was applied to two study sites - the Svacenický creek catchment and the Turá Lúka research area (Slovakia). The estimation of the used models was compared with the sedimentation rate of the two reservoirs to evaluate the model’s efficiency and to create methodological recommendations for local managers and municipalities how to determine the reservoir siltation (third aim). The USPED model seems to be sufficient among the used models (underestimation by 7.2 % compared to the observed number of sediments in the reservoir). The modelling of soil erosion processes is affected by several factors that reflect the natural conditions of the research area together with the land use linkage. The correct determination of input parameters is a crucial part of the model’s application, and that is why the fourth aim of this thesis is to discuss the variability of input factors values in the case of the empirical modelling. Consequently, there is a great discussion about the influence of the input parameters on the models’ outputs. The fifth aim of this thesis is to evaluate the role of input parameters. In detail, the role of the precipitation and seven chosen soil input parameters was investigated. The results highlight a strong role of precipitation and their changing parameters due to climate change, which results in the intensification of rainfall-runoff and erosion-deposition processes. Moreover, the EROSION-3D model is very sensitive to initial soil moisture, bulk density, and soil erodibility.

Keywords

soil water erosion, hydrological modelling, erosion model, USLE, RUSLE, USPED, EROSION-3D, small catchment, Svacenický Creek, Suchý Creek, water reservoir siltation, UAV

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 10. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 8. 12. 2020
• Supervisor: Mgr. Monika Šulc Michalková, Ph.D. et Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Juraj Hreško, CSc., doc. Ing. Jana Kozlovsky Dufková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physical geography / Physical geography